Физики ISTA показали, что контактная электризация зависит от истории взаимодействия материалов.
На протяжении веков статическое электричество было предметом интриг и научных исследований. Теперь исследователи из группы Вайдукайтиса в Институте науки и технологий Австрии (ISTA) нашли ключ к разгадке этой вечной тайны: история контактов материалов определяет, как они обмениваются зарядами. Новаторские результаты, опубликованные в Nature, объясняют преобладающую непредсказуемость контактной электризации, выявляя порядок там, где, как долгое время считалось, царит хаос.
От крошечного электрического разряда при прикосновении к дверной ручке до пенопластовых шариков, прилипающих к шерсти озорной кошки, — хорошо известное и, казалось бы, простое явление статического электричества озадачивало людей с древних времён. Как этот вездесущий эффект, который часто демонстрируют детям, натирая воздушный шарик об их волосы, до сих пор не до конца понятен учёным?
Статическое электричество известно под разными названиями, но учёные предпочитают называть его «контактной электризацией». В отличие от того, что может подразумеваться под названием «статическое электричество», суть этого эффекта не статична, а включает в себя движение, поскольку при соприкосновении двух электрически нейтральных материалов происходит перенос заряда.
«От контактной электризации никуда не деться; с ней сталкивается каждый. Вот почему для нас может показаться неожиданным, что мы не понимаем, как именно это происходит», — говорит Скотт Вайтукайтис, доцент Института науки и технологий Австрии (ISTA), который руководил этой работой вместе с аспирантом ISTA Хуаном Карлосом Собарсо.
Теперь команда учёных обнаружила ключевую часть головоломки, которая оставалась неизвестной на протяжении веков:
«Мы протестировали различные параметры, которые могут влиять на контактную электризацию, но ни один из них не мог достоверно объяснить наши результаты. Именно тогда мы задумались: что, если на поведение при зарядке влияет сам контакт? Слово «контакт» уже есть в названии, но его часто упускают из виду», — говорит Собарзо.
«Полная неразбериха»
Если для металлов ученые смогли описать этот механизм в 1950-х годах, то электроизоляторы оказались более сложными для понимания, хотя именно они обмениваются зарядами чаще всего.
Исторически сложилось так, что в ряде исследований предполагалось, что изоляторы можно упорядочить по знаку заряда, который они обменивают, — от самого положительного до самого отрицательного.
Исторически сложилось так, что в нескольких исследованиях было высказано предположение, что изоляторы можно упорядочить по знаку заряда, которым они обмениваются, от наиболее положительного к наиболее отрицательному. Например, если стекло заряжено положительно по отношению к керамике, а керамика — по отношению к дереву, то стекло (обычно) заряжено положительно по отношению к дереву. Таким образом, стекло, керамика и дерево образуют так называемую «трибоэлектрическую серию».
Проблема с этими трибоэлектрическими рядами, по словам Вайтукайтиса, заключается в том, что разные исследователи получают разные результаты, а иногда даже один и тот же исследователь не получает один и тот же результат дважды, когда повторяет свой эксперимент.
«Понимание того, как изоляционные материалы обмениваются зарядами, очень долго казалось полной неразберихой: эксперименты крайне непредсказуемы и иногда могут казаться совершенно случайными», — говорит он. В свете этой «полной неразберихи» физики и материаловеды, похоже, не могли прийти к единому мнению относительно какой-либо модели, объясняющей этот механизм. Что ещё хуже, им пришлось столкнуться с тревожным фактом: даже идентичные материалы, например, два воздушных шарика, обменивались зарядом. В конце концов, что в одинаковых материалах определяет, куда пойдёт заряд?
Порядок, возникающий из хаоса
Вайтукайтис и Собарзо предположили, что эта контактная электризация «одного и того же материала» может дать ключ к пониманию этого эффекта в более широком смысле. Работая с «идентичными» материалами, они свели количество свободных переменных к минимуму — им нужно было найти то, что отличало образцы друг от друга. В качестве материала они выбрали полидиметилсилоксан (PDMS) — прозрачный полимер на основе силикона, из которого они сделали похожие на пластик блоки.
На тот момент основной гипотезой о том, почему идентичные материалы обмениваются зарядом, было случайное изменение свойств поверхности. К сожалению, первоначальные результаты команды также отражали случайность и непредсказуемость. Не подозревая, что история контактов образцов может играть какую-то роль, они тестировали различные условия, иногда используя одни и те же образцы, совершенно не подозревая, что они меняются с каждым дополнительным контактом.
Размышляя о том, в каком направлении двигаться в исследовании, они решили проверить, будут ли идентичные образцы PDMS выстраиваться в трибоэлектрическую последовательность.
«Я взял набор образцов, которые были у меня под рукой, — тогда я использовал их для нескольких экспериментов, — и, к своему удивлению, увидел, что они выстроились в ряд с первой попытки», — говорит Собарзо.
Воодушевлённые этим неожиданным результатом, команда попыталась повторить эксперимент со свежими образцами, но быстро разочаровалась, увидев снова случайные результаты. «На этом этапе мы могли бы сдаться, — говорит Собарзо. — Однако я решил повторить эксперимент с этим же набором образцов на следующий день. Результаты выглядели лучше, поэтому я продолжал пробовать, пока на пятой попытке образцы не выстроились в идеальную последовательность».
Собарзо только что нашёл ответ на вопрос, почему старые образцы работали с первой попытки. Многократный контакт каким-то образом позволил образцам эволюционировать.
«Как только мы начали отслеживать историю контактов образцов, случайность и хаос обрели смысл», — говорит Вайтукайтис.
Действительно, команда обнаружила, что образцы начали вести себя предсказуемо примерно после 200 контактов и что образец, с которым контактировали чаще, стабильно заряжался отрицательно по отношению к образцу с меньшим количеством контактов.
Исследователи даже показали, что образцы из полиметилсилоксана могут надёжно формировать «заранее спроектированную» трибоэлектрическую серию, если контролировать количество контактов и порядок проведения экспериментов.
Более гладкая поверхность
Идея о том, что история контактов образца может влиять на то, как он заряжается, никогда не выдвигалась. Таким образом, команда объясняет, почему многие эксперименты по контактной электризации кажутся случайными и неконтролируемыми. Однако остаётся вопрос: как контакт влияет на образцы?
Итак, команда пошла дальше, используя различные методы поверхностной чувствительности на образцах до и после контакта. Среди всех параметров, которые они исследовали, только один дал хоть какую-то подсказку: они заметили дискретные изменения шероховатости поверхности материалов в наноскопическом масштабе.
Если говорить более конкретно, то они показали, что контакты сглаживают мельчайшие неровности на поверхности материала. Как это приводит к электризации контактов, команда не знает, но, поскольку это единственное изменение, которое они смогли обнаружить, оно весьма наводит на размышления.
«Нам удалось раскрыть важный ключ к неуловимому механизму, который так важен для нашего понимания электричества и электростатики и который так долго держал ученых в недоумении», — говорит Собарзо. Вайтукайтис заключает, едва скрывая свое волнение: «Мы показали, что наука о статическом электричестве уже не так безнадежна».
Публикации:
Juan Carlos Sobarzo, Felix Pertl, Daniel M. Balazs, Tommaso Costanzo, Markus Sauer, Annette Foelske, Markus Ostermann, Christian M. Pichler, Yongkang Wang, Yuki Nagata, Mischa Bonn & Scott Waitukaitis. 2025. Спонтанная самоорганизация идентичных материалов в трибоэлектрическую серию. Природа. DOI: 10.1038/s41586-024-08530-6
Информация о финансировании:
Данный проект был поддержан Европейским исследовательским советом (ERC) по грантовому соглашению № 949120 в рамках программы исследований и инноваций Европейского союза «Горизонт 2020», проектом FFG «ELSA» по гранту № 884672, а также Европейским фондом регионального развития и федеральной землей Нижняя Австрия по гранту № WST3-F-542638/004-2021.
.
Источник: st.ac.at/en — в источнике есть видео.
.
Источник перевода: https://newsstreet.ru/blog/science/34892.html
.
Больше интересных статей, которые я не успеваю публиковать на Дзен, можно найти здесь: t.me/murrrzio